用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電化學(xué)傳感器的測(cè)試，尤其涉及用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測(cè)試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，電化學(xué)傳感器的應(yīng)用愈趨廣泛，特別是在有毒氣體的檢測(cè)和測(cè)量、以及酒精呼氣測(cè)試中多有應(yīng)用。大多數(shù)電化學(xué)傳感器不是燃料電池型兩電極器件就是穩(wěn)壓器控制的三電極器件。為了準(zhǔn)確測(cè)試傳感器的精準(zhǔn)度，必需用測(cè)試氣體對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。如果能設(shè)計(jì)出一種診斷測(cè)試能夠在不需要測(cè)試氣體的情況下就可以給出關(guān)于傳感器是否正常工作(未損壞)的信息，則顯然會(huì)是非常有利的。這特別適用于諸如機(jī)動(dòng)車輛點(diǎn)火聯(lián)鎖酒精測(cè)定儀和一氧化碳報(bào)警器之類的默認(rèn)結(jié)果為零的安裝情境。
[0003]盡管兩電極傳感器在大多數(shù)方面優(yōu)于三電極類型，但是三電極傳感器也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即有一套用于檢驗(yàn)其電連續(xù)性的機(jī)制(在美國(guó)專利5202637中有記載)。該檢驗(yàn)機(jī)制在于向三電極電化學(xué)傳感器的工作電極施加相對(duì)于參考電極電勢(shì)的受控電勢(shì)的步階變化，如果傳感器是起作用的，則會(huì)在工作電極和對(duì)電極之間得到電流響應(yīng)。但是兩電極傳感器沒(méi)有單獨(dú)的參考電極和對(duì)電極，所以一種用于兩電極傳感器的連續(xù)性檢驗(yàn)的測(cè)試裝置是所期望的。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]以下給出一個(gè)或多個(gè)方面的簡(jiǎn)要概述以提供對(duì)這些方面的基本理解。此概述不是所有構(gòu)想到的方面的詳盡綜覽，并且既非旨在指認(rèn)出所有方面的關(guān)鍵性或決定性要素亦非試圖界定任何或所有方面的范圍。其唯一的目的是要以簡(jiǎn)化形式給出一個(gè)或多個(gè)方面的一些概念以為稍后給出的更加詳細(xì)的描述之序。
[0005]本實(shí)用新型中的目的之一是提供一種用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測(cè)試裝置。
[0006]根據(jù)本實(shí)用新型的一方面，提供了一種用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測(cè)試裝置，該電化學(xué)傳感器具有感應(yīng)電極和參考電極，該測(cè)試裝置包括:
[0007]電流脈沖單元，耦接至該電化學(xué)傳感器的感應(yīng)電極，以用于產(chǎn)生相對(duì)于傳感器極性為負(fù)的短電流脈沖以激勵(lì)該電化學(xué)傳感器；以及
[0008]電流至電壓轉(zhuǎn)換單元，耦接至該電化學(xué)傳感器的該感應(yīng)電極和參考電極以將該電化學(xué)傳感器受該短電流脈沖激勵(lì)的響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成響應(yīng)電壓，該響應(yīng)電壓的特性指示該電化學(xué)傳感器的故障情況。
[0009]在一實(shí)例中，該電流脈沖單元包括:第一電阻器，該第一電阻器的第一端耦接至該電化學(xué)傳感器的該感應(yīng)電極；以及晶體管，該晶體管的漏極耦接至該第一電阻器的第二端，并且該感應(yīng)電極的電位被鉗制于高于該晶體管的源極的預(yù)定電位，其中，當(dāng)該晶體管為導(dǎo)通時(shí)，跨該第一電阻器兩端的電壓產(chǎn)生電流，當(dāng)該晶體管為截止時(shí)，電流停止，從而獲得相對(duì)于傳感器極性為負(fù)的該短電流脈沖。
[0010]在一實(shí)例中，該測(cè)試裝置還包括:微控制器，用于輸出導(dǎo)通信號(hào)至該晶體管的柵極，以使該晶體管導(dǎo)通。
[0011]在一實(shí)例中，該微控制器每次輸出該導(dǎo)通信號(hào)的持續(xù)時(shí)間在lms-100ms的范圍內(nèi)，以獲得持續(xù)時(shí)間在1ms-100ms范圍內(nèi)的該短電流脈沖。
[0012]在一實(shí)例中，該微控制器每次輸出該導(dǎo)通信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為5ms，以獲得5ms的該短電流脈沖。
[0013]在一實(shí)例中，該電流至電壓轉(zhuǎn)換單元為跨阻運(yùn)算放大器，該跨阻運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端子耦接至該感應(yīng)電極，正輸入端子耦接至該參考電極，以及輸出端子輸出該響應(yīng)電壓。
[0014]在一實(shí)例中，該測(cè)試裝置還包括串聯(lián)于電源電壓與地之間的第二電阻器和穩(wěn)壓管，該跨阻運(yùn)算放大器的該正輸入端子耦接至該第二電阻器和該穩(wěn)壓管之間，從而使得該正輸入端子和負(fù)輸入端子被鉗制于高于該晶體管的源極的該預(yù)定電位。
[0015]在一實(shí)例中，該預(yù)定電位和該第一電阻器的大小被設(shè)計(jì)成使得該短電流脈沖的幅值范圍為 0.0lmA-0.5mA。
[0016]在一實(shí)例中，該短電流脈沖為方波脈沖。
[0017]在一實(shí)例中，該響應(yīng)電壓的特性包括以下至少一者:峰值高度、峰值時(shí)段、清零時(shí)間、以及至預(yù)定點(diǎn)的積分。
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型的測(cè)試裝置，能夠在不需要測(cè)試氣體的情況下對(duì)兩電極的電化學(xué)傳感器進(jìn)行故障測(cè)試，大大降低了測(cè)試成本，從而可以更多次地對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，例如可以在兩次校準(zhǔn)之間的時(shí)間里提供關(guān)于傳感器故障狀態(tài)的可靠指示。
【附圖說(shuō)明】
[0019]在結(jié)合以下附圖閱讀本公開(kāi)的實(shí)施例的詳細(xì)描述之后，能夠更好地理解本實(shí)用新型的上述特征和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中，各組件不一定是按比例繪制，并且具有類似的相關(guān)特性或特征的組件可能具有相同或相近的附圖標(biāo)記。
[0020]圖1是示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一方面的用于兩電極的電化學(xué)傳感器的測(cè)試裝置的框圖；
[0021]圖2是示出了兩電極的電化學(xué)傳感器在根據(jù)本實(shí)用新型的一方面的測(cè)試裝置的激勵(lì)下的各種輸出響應(yīng)電流的曲線示意圖；以及
[0022]圖3是示出了根據(jù)本實(shí)用新型的測(cè)試裝置的一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
[0023]為清楚起見(jiàn)，以下給出附圖標(biāo)記的簡(jiǎn)要說(shuō)明:
[0024]1000:測(cè)試裝置
[0025]100:電化學(xué)傳感器
[0026]200:電流脈沖單元
[0027]300:低電阻的電流至電壓轉(zhuǎn)換單元
[0028]P1:正常傳感器的響應(yīng)
[0029]P2:斷開(kāi)傳感器的響應(yīng)
[0030]P3:損壞傳感器的響應(yīng)
[0031]P4:短路傳感器的響應(yīng)
[0032]201:第一電阻器
[0033]202:晶體管
[0034]203:微控制器
[0035]204:第二電阻器
[0036]205:穩(wěn)壓管
[0037]301:跨阻運(yùn)算放大器
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)描述。注意，以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例描述的諸方面僅是示例性的，而不應(yīng)被理解為對(duì)本實(shí)用新型的保護(hù)范圍進(jìn)行任何限制。
[0039]電化學(xué)傳感器通過(guò)從它們所被暴露到的分子中提取些微量的電能來(lái)進(jìn)行操作。大多數(shù)這些分子在相當(dāng)于陽(yáng)極的感應(yīng)電極上(參考電極或?qū)﹄姌O相當(dāng)于陰極)起到燃料的作用。它們將電子注入到電化學(xué)傳感器中，后者隨后向外部電路傳遞電流脈沖。
[0040]某種程度上，可通過(guò)向傳感器施加短持續(xù)時(shí)間的方波電脈沖來(lái)模擬這種行為。傳感器與脈沖的交互部分是作為電容器及部分是作為電池進(jìn)行充放電，由此得到的瞬變電流被轉(zhuǎn)換成輸出電壓，可用以分析傳感器的故障情況。
[0041]本實(shí)用新型利用了兩電極傳感器結(jié)構(gòu)與平行板電容器結(jié)構(gòu)的相似性。只不過(guò)穩(wěn)壓法向工作電極施加受控的步階電壓，在本實(shí)用新型中向傳感器施加固定幅值的電流脈沖。由于向傳感器施加短持續(xù)時(shí)間的方波電脈沖模擬了傳感器的操作，可以根據(jù)傳感器對(duì)所施加的短電流脈沖的響應(yīng)來(lái)驗(yàn)證傳感器是否正常工作，或者指示故障與否及故障源。
[0042]圖1是示出了根據(jù)本實(shí)用新型的一方面的用于兩電極的電化學(xué)傳感器100的測(cè)試裝置1000的框圖。如圖1所示，電化學(xué)傳感器100可包括兩個(gè)電極，分別是感應(yīng)電極(在圖1中用符號(hào)S標(biāo)不)和參考電極(在圖1中用符號(hào)R標(biāo)不)。
[0043]為了對(duì)電化學(xué)傳感器100進(jìn)行故障測(cè)試，測(cè)試裝置1000可主要包括兩部分的功能單元，分別是電流脈沖單元200和低電阻的電流至電壓轉(zhuǎn)換單元300。
[0044]電流脈沖單元200的作用是產(chǎn)生短電流脈沖。電流脈沖單元200耦接至電化學(xué)傳感器100的感應(yīng)電極S，從而可向電化學(xué)傳感器100的感應(yīng)電極輸入相對(duì)于傳感器極性為負(fù)的短電流脈沖。這里極性為負(fù)是指相對(duì)于電化學(xué)傳感器100的基準(zhǔn)(S卩，地)電位為負(fù)，SP表示電流是從感應(yīng)電極s流出的，等效于向感應(yīng)電極S輸入電子。
[0045]如前文所述，電化學(xué)傳感器100在常規(guī)使用時(shí)相當(dāng)于燃料電池，將電化學(xué)傳感器100置于待測(cè)氣體中，使其暴露于待測(cè)氣體的分子，待測(cè)氣體分子會(huì)在感應(yīng)電極上(此時(shí)感應(yīng)電極相當(dāng)于電池的陽(yáng)極)起到燃料作用，從而將電子注入到電化學(xué)傳感器100中，傳感器隨后向外部電路傳遞電流脈沖，從而檢測(cè)出待測(cè)氣體。在本實(shí)用新型中，通過(guò)由電流脈沖單元200產(chǎn)生電流脈沖，人為地向傳感器的感應(yīng)電極注入了電子，模擬了傳感器暴露于待測(cè)氣體時(shí)的行為，通過(guò)記錄傳感器此時(shí)的響應(yīng)行為，可以得知傳感器是否正常工作。
[0046]換言之，電化學(xué)傳感器100具有類似電容器的存儲(chǔ)電荷的性質(zhì)，所以在被充電時(shí)，傳感器會(huì)給出類似于傳感器在接收測(cè)試氣體(如酒精樣本)時(shí)的響應(yīng)，而無(wú)需酒精樣本實(shí)質(zhì)存在。若傳感器具有斷開(kāi)連接、短路、或損耗之類的故障，則響應(yīng)也會(huì)相應(yīng)變化，從而根據(jù)這種變化得知傳感器的健康或故障狀況。
[0047]在本實(shí)用新型中，可以在不需要使用測(cè)試氣體的情況下，通過(guò)電流脈沖單元200來(lái)產(chǎn)生短電流脈沖，例如方波脈沖，以作為對(duì)電化學(xué)傳感器100的充電電流，來(lái)激勵(lì)電化學(xué)傳感器100。
[0048]電化學(xué)傳感器100受到短電流脈沖的激勵(lì)，向外部電路傳遞電流脈沖作為響應(yīng)。如圖1所示，低電壓的電流至電壓轉(zhuǎn)換單元300耦接至電化學(xué)傳感器100的感應(yīng)電極S和參考電極R，從而將該響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換為響應(yīng)電壓。由于電化學(xué)傳感器100在健康和故障時(shí)以及出現(xiàn)不同故障時(shí)，響應(yīng)電壓的特性是不同的，由此可以反映出電化學(xué)傳感器的故障情況，包括是否故障、以及故障類型等等。
[0049]電流脈沖單元200可產(chǎn)生固定持續(xù)時(shí)間的電流脈沖，例如在lms-100ms的范圍內(nèi)，具體而言例如5ms，而電流脈沖的幅值可以在例如0.0lmA-0.5mA的范圍內(nèi)，具體而言例如0.15mA0
[0050]圖2是示出了兩電極的電化學(xué)傳感器在根據(jù)本實(shí)用新型的一方面的測(cè)試裝置的激勵(lì)下的各種輸出響應(yīng)電流的曲線示意圖。
[0051]如圖2所示，曲線P1示出了傳感器正常狀態(tài)下的響應(yīng)電流。隨著所施加的電容性電荷的放電，脈沖期間的電流尖峰之后伴隨著的是常常的尾部直至逐漸歸零。
[0052]作為診斷目的，該響應(yīng)電流(及相應(yīng)的最終響應(yīng)電壓輸出)的一些特性可指示傳感器的故障情況。這些特性有峰值高度、峰值時(shí)段、清零時(shí)間(例如，響應(yīng)衰減至峰值的10%的時(shí)間)、以及及至預(yù)定點(diǎn)的積分等等。這里的預(yù)定點(diǎn)可以是幅度降至峰值的例如5